РЕАКТОР ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В СЕТИ Советский патент 1938 года по МПК H02H9/02 

Подавляющее большинство аварий современных электрических систем, являющееся результатом коротких замыканий, сопровождается колоссальными токами, многократно превышающими номинальный ток сети.

Разрушающее действие этих токов так велико, что даже надежно сконструированные машины, трансформаторы и коммутационная аппаратура выбывают из строя при особенно тяжелых коротких замыканиях.

Усилия электротехников последних десятилетий были направлены как на органичение величины этих токов, так и (главным образом) на наиболее быстрое и безболезненное их отключение.

Однако, современные способы ограничения токов коротких замыканий, заключающиеся в повышении реактивности машин и трансформаторов и включении в цепь безжелезных индуктивностей-реакторов не могут считаться достаточно совершенными.

Токи коротких замыканий попрежнему получаются значительными и доходят в мощных сетях до сотни тысяч ампер и выше. Силовые выключатели, призванные их отключать, представляют собой сложные, дорогие и взрывоопасные устройства.

Предлагаемый компенсированный реактор с железом, имеющий ничтожную индуктивность при номинальном режиме и желаемую индуктивность при коротких замыканиях и ограничивающий токи коротких замыканий до величин, равных номинальным токам сети и даже ниже их, имеет целью решить задачу ограничения токов коротких замыканий.

Для решения этой задачи требуется, чтобы реактор имел ничтожную реактивность при номинальном режиме и повышал свою реактивность в первом же полупериоде после возникновения короткого замыкания до любых желаемых величин. Эта задача, естественно, не могла быть решена путем механических переключений обмоток, втягивания сердечника и т.д., ибо требование безъинерционности заставляет в этом случае отказаться от всяких движущихся частей.

Быстрое изменение индуктивности от нуля до больших величин в предлагаемом реакторе основано на принципе наложения постоянного магнитного поля на переменное, при номинальном режиме и снятии этого поля при коротком замыкании.

Как известно, наложение достаточно большого постоянного магнитного поля на железный сердечник переводит железо в область низких магнитных проницаемостей. Обтекаемая переменным током обмотка, надетая на тот же сердечник, резко понижает при этом свое индуктивное сопротивление.

Для наложения постоянного магнитного поля предлагаемый реактор снабжен питаемой постоянным током обмоткой. При этом, согласно изобретению, питаемая постоянным током обмотка присоединена к сети переменного тока через выпрямители, аноды которых соединены с дополнительной обмоткой, служащей для подачи отрицательного потенциала на аноды выпрямителей при коротких замыканиях и быстрого устранения магнитного поля постоянного тока.

Однако непосредственное наложение на один сердечник обмоток постоянного и переменного тока привело бы к индуцированию больших электродвижущих сил в обмотке постоянного тока при коротком замыкании.

Поэтому, в предлагаемом реакторе, показанном схематически на чертеже, сердечник выполнен из двух самостоятельных магнитопроводов 1 и 2. Обмотки переменного тока 3 и 4, охватывающие эти магнитопроводы, соединены последовательно, и направление тока в этих обмотках выбирается таким образом, чтобы их магнитные потоки в обмотке 5, охватывающей оба магнитопровода и обтекаемой постоянным током, были направлены в противоположные стороны.

Обмотка 5 питается постоянным током от защищаемой сети через выпрямитель 10 любого типа. Однако, отсутствие необходимости в высоких напряжениях и больших мощностях постоянного тока и требование надежности заставляют отдать предпочтение меднозакисным выпрямителям.

Присоединение выпрямителей к сети осуществляется через маломощный трансформатор 6.

Параметры обмотки 5 выбираются таким образом, чтобы ее ампервитки насыщали сердечники 1 и 2.

Таким образом, при номинальном режиме индуктивное сопротивление обмоток 3 и 4 весьма мало.

При любом виде коротких замыканий ток в обмотке 5, а вместе с ним и постоянное магнитное поле падает до нуля или до значений, близких к нулю, так как при трехфазном коротком замыкании прекращают свою работу все фазы выпрямителя, и постоянный ток падает до нуля.

При одно- и двухфазном коротком замыкании ток падает до значений, определяемых из формулы Папалекси:

где

I - сила постоянного тока,

Е - напряжение постоянного тока,

- частота сети переменного тока,

L - индуктивность цепи постоянного тока,

t - время.

Так как коэфициент самоиндукции обмотки 5, обладающей весьма большим числом витков, весьма велик, то ток, определенный по формуле Папалекси, оказывается чрезвычайно малым а вместе с ним мало и постоянное магнитное пупе при несимметричных коротких замыканиях.

Таким образом, при любом виде коротких замыканий постоянное магнитное поле падает до весьма малых значений и вместе с этим резко возрастает индуктивное сопротивление обмоток 3 и 4, обтекаемых переменным током.

Одним из основных вопросов в предлагаемом реакторе является вопрос о скорости гашения поля постоянного тока. Вообще говоря, эта скорость может быть получена сколько угодно большой соответственным уменьшением постоянной времени обмотки 5. Однако, такое уменьшение постоянной времени связано с повышением сопротивления цепи постоянного тока и, следовательно, с повышением энергии, затрачиваемой на компенсацию индуктивности при номинальном режиме.

Исходя из этого, для гашения поля предусматривается специальная схема. Наряду с обмоткой 5 на сердечники 1 и 2 наматывается обмотка 7, присоединенная через конденсатор 8 параллельно обмотке 5. При номинальном режиме ток через обмотку 7 не идет. При коротком замыкании спадание тока в обмотке 5 индуцирует электродвижущую силу тока в обмотке 7, и конденсатор 8, к которому приложено напряжение цепи постоянного тока, меняет свой потенциал на обратный. Благодаря этому аноды выпрямителей получают отрицательный потенциал, и ток через выпрямитель прекращается.

Соразмеряя сопротивление обмотки 7, а вместе с этим и скорость зарядки конденсатора, можно добиться сколь угодно быстрого гашения поля постоянного тока.

Для выравнивания потенциалов конденсатора после короткого замыкания служит разрядное сопротивление 9.

Применение предлагаемого реактора:

1) резко снижает аварийность электрических сетей;

2) освобождает от необходимости иметь дорогостоящие и взрывоопасные масляные выключения; последние заменяются разъединителями, рассчитанными по мощности на номинальный ток сети; больше того, реактор, рассчитанный на токи короткого замыкания ниже номинального, дал бы возможность поставить и разъединитель на эти же токи; правда, в этом случае разъединитель должен был бы быть сблокированным с цепью постоянного тока таким образом, чтобы выключение разъединителя могло состояться только после того, как постоянный ток снят;

3) уменьшает реактивность цепи, генераторов, трансформаторов, повышает статическую устойчивость системы, увеличивает коэфициент мощности, снижает потери на возбуждение генератора и т.д.

Все это говорит о том, что, несмотря на некоторую сложность предлагаемого реактора по сравнению с обычным, есть основание предполагать, что энергетическое хозяйство от введения таких реакторов может выиграть.

1. Реактор для защиты от коротких замыканий в сети, снабженный питаемой постоянным током обмоткой, служащей для создания насыщения магнитной системы при нормальной силе тока и отключаемой при коротких замыканиях для повышения индуктивного сопротивления реактора, отличающийся тем, что указанная обмотка 5 присоединена к сети переменного тока через выпрямители 10, аноды которых соединены через сопротивления с дополнительной обмоткой 7, служащей для подачи отрицательного потенциала на аноды выпрямителей при коротких замыканиях и быстрого устранения магнитного поля постоянного тока.

2. В реакторе по п. 1 применение, с целью устранения влияния обмоток переменного тока на обмотку постоянного тока, магнитной цепи из двух отдельных магнитных систем, несущих каждая отдельные обмотки переменного тока и охваченных одной общей обмоткой постоянного тока.